Explorando la gravedad cuántica: los físicos se sintonizan con el anillo cósmico de los agujeros negros

Por Whitney Clavin, Caltech 29 de mayo de 2023

Los estudios dirigidos por Caltech proponen pruebas nuevas y estrictas para la teoría general de la relatividad de Einstein, buscando signos de gravedad cuántica en las ondas del espacio-tiempo generadas por las colisiones de agujeros negros. Un estudio presenta una ecuación para el comportamiento de los agujeros negros dentro de las teorías de la gravedad cuántica, basándose en trabajos anteriores, mientras que el segundo sugiere un método para aplicar esta ecuación a los datos de LIGO, un observatorio de ondas gravitacionales, para detectar posibles desviaciones de la relatividad general.

New methods will allow for better tests of Einstein's general theory of relativity using LIGOThe Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) is a large-scale physics experiment and observatory supported by the National Science Foundation and operated by Caltech and MIT. It's designed to detect cosmic gravitational waves and to develop gravitational-wave observations as an astronomical tool. It's multi-kilometer-scale gravitational wave detectors use laser interferometry to measure the minute ripples in space-time caused by passing gravitational waves. It consists of two widely separated interferometers within the United States—one in Hanford, Washington and the other in Livingston, Louisiana." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">Fecha LIGO.

La teoría general de la relatividad de Albert Einstein describe cómo la estructura del espacio y el tiempo, o espacio-tiempo, se curva en respuesta a la masa. Nuestro sol, por ejemplo, deforma el espacio a nuestro alrededor de tal manera que el planeta Tierra rueda alrededor del sol como una canica arrojada a un embudo (la Tierra no cae hacia el sol debido al impulso lateral de la Tierra).

La teoría, que fue revolucionaria en el momento en que se propuso en 1915, reformuló la gravedad como una curvatura del espacio-tiempo. A pesar de lo fundamental que es esta teoría para la naturaleza misma del espacio que nos rodea, los físicos dicen que podría no ser el final de la historia. En cambio, argumentan que las teorías de la gravedad cuántica, que intentan unificar la relatividad general con la física cuántica, guardan secretos sobre cómo funciona nuestro universo en los niveles más profundos.

La ecuación de Dongjun Li y sus colaboradores describe cómo sonarían los agujeros negros en el régimen más allá de la relatividad general. Crédito: Caltech

One place to search for signatures of quantum gravity is in the mighty collisions between black holes, where gravity is at its most extreme. Black holes are the densest objects in the universe—their gravity is so strong that they squeeze objects falling into them into spaghetti-like noodles. When two black holes collide and merge into one larger body, they roil space-time around them, sending ripples called gravitational wavesGravitational waves are distortions or ripples in the fabric of space and time. They were first detected in 2015 by the Advanced LIGO detectors and are produced by catastrophic events such as colliding black holes, supernovae, or merging neutron stars." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">ondas gravitacionales hacia afuera en todas las direcciones.

Dongjun Li. Crédito: Caltech

The National Science Foundation-funded LIGO, managed by Caltech and MIT, has been routinely detecting gravitational waves generated by black holeA black hole is a place in space where the gravitational field is so strong that not even light can escape it. Astronomers classify black holes into three categories by size: miniature, stellar, and supermassive black holes. Miniature black holes could have a mass smaller than our Sun and supermassive black holes could have a mass equivalent to billions of our Sun." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> fusiones de agujeros negros desde 2015 (sus observatorios asociados, Virgo y KAGRA, se unieron a la caza en 2017 y 2020, respectivamente). Sin embargo, hasta ahora, la teoría general de la relatividad ha pasado prueba tras prueba sin signos de falla.

Now, two new Caltech-led papers, in Physical Review X and Physical Review LettersPhysical Review Letters (PRL) is a peer-reviewed scientific journal published by the American Physical Society. It is one of the most prestigious and influential journals in physics, with a high impact factor and a reputation for publishing groundbreaking research in all areas of physics, from particle physics to condensed matter physics and beyond. PRL is known for its rigorous standards and short article format, with a maximum length of four pages, making it an important venue for rapid communication of new findings and ideas in the physics community." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> Physical Review Letters, describe nuevos métodos para someter a la relatividad general a pruebas aún más estrictas. Al observar más de cerca las estructuras de los agujeros negros y las ondas en el espacio-tiempo que producen, los científicos buscan signos de pequeñas desviaciones de la relatividad general que insinúen la presencia de la gravedad cuántica.

"Cuando dos agujeros negros se fusionan para producir un agujero negro más grande, el agujero negro final suena como una campana", explica Yanbei Chen (PhD '03), profesor de física en Caltech y coautor de ambos estudios. "La calidad del timbre, o su timbre, puede ser diferente de las predicciones de la relatividad general si ciertas teorías de la gravedad cuántica son correctas. Nuestros métodos están diseñados para buscar diferencias en la calidad de esta fase de timbre, como los armónicos y matices, por ejemplo".

El primer artículo, codirigido por Dongjun Li, estudiante graduado de Caltech, y Pratik Wagle, estudiante graduado de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign, informa una nueva ecuación única para describir cómo sonarían los agujeros negros en el marco de ciertas teorías de la gravedad cuántica, o en lo que los científicos llaman el régimen más allá de la relatividad general.

Sizheng Ma. Crédito: Caltech

El trabajo se basa en una ecuación innovadora desarrollada hace 50 años por Saul Teukolsky (PhD '73), profesor Robinson de astrofísica teórica en Caltech. Teukolsky había desarrollado una ecuación compleja para comprender mejor cómo se propagan las ondas de la geometría del espacio-tiempo alrededor de los agujeros negros. En contraste con los métodos de la relatividad numérica, en los que se requieren supercomputadoras para resolver simultáneamente muchas ecuaciones diferenciales pertenecientes a la relatividad general, la ecuación de Teukolsky es mucho más simple de usar y, como explica Li, proporciona una visión física directa del problema.

"Si uno quiere resolver todas las ecuaciones de Einstein de una fusión de agujeros negros para simularla con precisión, debe recurrir a las supercomputadoras", dice Li. "Los métodos de relatividad numérica son increíblemente importantes para simular con precisión las fusiones de agujeros negros y proporcionan una base crucial para interpretar los datos de LIGO. Pero es extremadamente difícil para los físicos sacar intuiciones directamente de los resultados numéricos. La ecuación de Teukolsky nos da una visión intuitiva de lo que está pasando en la fase de llamada".

Li y sus colaboradores pudieron tomar la ecuación de Teukolsky y adaptarla a los agujeros negros en el régimen más allá de la relatividad general por primera vez. "Nuestra nueva ecuación nos permite modelar y comprender las ondas gravitacionales que se propagan alrededor de los agujeros negros que son más exóticas de lo que predijo Einstein", dice.

Yanbei Chen Crédito: Caltech

El segundo artículo, publicado en Physical Review Letters, dirigido por el estudiante graduado de Caltech Sizheng Ma, describe una nueva forma de aplicar la ecuación de Li a los datos reales adquiridos por LIGO y sus socios en su próxima ejecución de observación. Este enfoque de análisis de datos utiliza una serie de filtros para eliminar las características del sonido de un agujero negro predicho por la relatividad general, de modo que se puedan revelar firmas potencialmente sutiles, más allá de la relatividad general.

"Podemos buscar las características descritas por la ecuación de Dongjun en los datos que recopilarán LIGO, Virgo y KAGRA", dice Ma. "Dongjun ha encontrado una manera de traducir un gran conjunto de ecuaciones complejas en una sola ecuación, y esto es tremendamente útil. Esta ecuación es más eficiente y fácil de usar que los métodos que usamos antes".

Los dos estudios se complementan bien, dice Li. "Al principio me preocupaba que las firmas que predice mi ecuación quedaran enterradas bajo los múltiples sobretonos y armónicos; afortunadamente, los filtros de Sizheng pueden eliminar todas estas características conocidas, lo que nos permite centrarnos solo en las diferencias", dice.

Chen agregó: "Trabajando juntos, los hallazgos de Li y Ma pueden aumentar significativamente la capacidad de nuestra comunidad para investigar la gravedad".

Referencias:

"Perturbaciones de agujeros negros giratorios más allá de la relatividad general: ecuación de Teukolsky modificada" por Dongjun Li, Pratik Wagle, Yanbei Chen y Nicolás Yunes, 25 de mayo de 2023, Physical Review X.DOI: 10.1103/PhysRevX.13.021029

"Espectroscopia de agujeros negros por limpieza de modos" por Sizheng Ma, Ling Sun y Yanbei Chen, 4 de abril de 2023, Physical Review Letters.DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.141401

The first study, titled "Perturbations of spinning black holes beyond General Relativity: Modified Teukolsky equation," was funded by the Simons Foundation, the Brinson Foundation, and the National Science Foundation (NSF). Other authors include Nicolás Yunes of the University of Illinois at Urbana-Champaign. The second study, titled "Black Hole Spectroscopy by Mode Cleaning," was funded by the Brinson Foundation, the Simons Foundation, NSF, and the Australian Research Council Center of Excellence for Gravitational Wave Discovery (OzGrav). Ling Sun of the Australian National UniversityFounded in 1946, the Australian National University (ANU) is a national research university located in Canberra, the capital of Australia. Its main campus in Acton encompasses seven teaching and research colleges, in addition to several national academies and institutes." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">La Universidad Nacional de Australia también es coautora.